II-VI族Te化物半导体中富Te相及其诱导缺陷的调控研究

II-VI telluride semiconductors have emerged as one of the most promising materials for use in a number of fields. The excellent photoelectric properties of these materials make them suitable for use in applications including optoelectronics, X and γ-ray detectors, solar cells, non-linear optics, terahertz sources and sensors. II-VI crystals grown from the melt usually have a high density of Te-rich particles and extended defects which have an adverse effect on the material properties; this has created a 'bottle-neck' in the adoption of these state of the art devices. In this project typical II-VI telluride compound semiconductors CdTe and CdZnTe will be investigated. The main research proposals are as follows:(1)The formation and morphology evolution of Te-rich particles will be defined according to the thermodynamic and kinetic theories. Models for point defects and dislocations diffusion and accumulation will be developed simultaneously based on the principles of the defect physical and quasi-chemical equilibrium theory.(2)To quantitatively analyze the extended defects in the crystals, a number of novel methods will be explored. The coupling effects between Te-rich particles and extended defects in the crystals will be revealed. The conversion of Te-rich particles and the extended defects will be interpreted in terms of the thermodynamic equilibrium conditions as also.(3)Thermal migration of Te-rich particles will be discussed. A novel 'periodic temperature gradient annealing' technique will be designed to eliminate the Te-rich particles and prevent the solute trail. Meanwhile, the electric-active defects in the crystals will be controlled as also under the 'special gas atmosphere annealing' processing. This project will play an important role in the modification of Te-rich particles and the extended defects in II-VI telluride semiconductors, in turn providing a guide to optimize the devices fabrication.

II-VI族Te化物半导体在光电子及信息技术领域具有重要的应用背景。然而，采用熔体法生长的晶体中往往存在大量的富Te相及其诱导的缺陷，成为目前制约该类器件进一步发展的主要因素。本项目拟以熔体法生长的典型II-VI族Te化物半导体-CdTe和CdZnTe为载体，主要研究：(1)富Te相的生长机理以及形态演化过程的热力学与动力学描述，并运用缺陷物理和缺陷化学方法，建立点缺陷及位错的扩散和聚集模型。(2)探索富Te相诱导缺陷的定量分析方法，揭示富Te相与其诱导缺陷耦合作用的动力学原理，掌握富Te相与其诱导缺陷相互转化的热力学条件。(3)设计"循环温度梯度"退火技术，消除生长态晶体中的富Te相，抑制杂质扩散及溶质尾迹现象，并结合"特殊气体气氛"退火，对晶体中的电活性缺陷进行优化。本项目将实现对II-VI族Te化物半导体中富Te相及其诱导缺陷的有效调控，为制备高性能光电器件提供理论依据和技术路线。

II-VI族Te化物半导体以其优异的光电转换特性在THz谱仪和成像，室温X射线和γ射线探测，高效太阳能电池，非线性光学等诸多领域显示出广阔的应用前景。尽管近年来在II-VI族Te化物晶体生长和器件制备方面取得了一定进展，但由于材料中缺陷种类多样且较难控制，限制了II-VI族Te化物光电器件在相关领域的发展。尤其对于采用熔体法制备II-VI族Te化物体单晶，生长温度较高以及容易偏离化学计量比导致生长态晶体中存在大量的富Te相。.本项目以熔体法生长的典型II-VI族Te化物半导体CdTe、ZnTe和CdZnTe为载体，探索了晶体中富Te相及其诱导缺陷的表征方法，揭示了其形成机理、演变规律和功能特性，并提出了相应的调控方法。主要研究结果包括：(1)对富Te相的形貌进行了三维尺度的表征，提出了由8个{111}和6个{100}组成的十四面体模型，归纳了降温过程中，温度梯度、热传导和尺寸效应对富Te相形貌的影响。(2)利用择优腐蚀观察到富Te相周围位错分布特征，结合阴极荧光成像分析富Te相周围非辐射复合特性，建立了富Te诱导位错滑移模型和点缺陷聚集机制。(3)观察到富Te相及其周围电学性能分布的不均匀性，揭示了导致电导率和介电特性不均匀的原因是富Te相周围存在高缺陷密度区，且富Te相作为低电势中心，会对光生载流子的传输产生影响，从而在其界面处围形成负电荷的聚集。(4)针对不同厚度和生长态的II-VI族Te化物晶体，优化退火温度和气氛条件，分别提出了“富Te相解离主导机制”和“富Te相热迁移主导机制”，归纳了退火过程中富Te相及其诱导缺陷的状态变化规律，发明了针对相应的退火方法。.三年内发表学术论文22篇，其中SCI收录17篇，申请发明专利4项，授权2项。获得2013年度国家技术发明二等奖一项。共5人次应邀参加国际学术会议，特邀报告1人次，口头报告4次。.通过对II-VI族Te化物半导体富Te相及其诱导缺陷的形成、特性及调控研究，有利于改进晶体生长方法和优化退火处理工艺，对于提高晶体的光学和电学性能具有重要的实用价值和理论意义。同时，关于富Te相及其诱导缺陷的形成和交互作用的理论模型，对于研究III-V族，IV-IV族化合物半导体，甚至氧化物和氟化物晶体中二次相颗粒的形成和调控具有较强的借鉴意义。